JP2000243353A - 放電管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザビーム強度のノイズを十分に低減する
ことができる放電管を提供することを目的とする。 【解決手段】 本発明は、レーザビームを貫通させるカ
ソード９を有する放電管１において、カソード９に対向
配置されレーザビームを貫通させるアノードと、アノー
ド８及びカソード９を収容しこれらを介在させレーザビ
ームを透過させる面板を有する密封容器２と、容器２内
に封入される封入ガスとを備え、少なくとも面板１１が
ウェッジ形状であり且つレーザビームの光路に直交する
面１７に対し角θで傾斜する外面１１ａを有し、角θが
次式θ≧(１／２)ｔａｎ^-1（Ｄ／Ｌ）[Ｌは面板間距
離、Ｄは電極内径を表す]を満たす構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放電管に係り、よ
り詳細には、半導体産業におけるリソグラフィプロセス
等に利用されるレーザガルバトロンのようなホローカソ
ードを有する放電管に関する。

【０００２】

【従来の技術】サブミクロンオーダという高い精度でパ
ターン形成が行われる半導体集積回路のリソグラフィー
プロセスでは、リソグラフィーの高精細化に伴って、使
用するレーザ波長の高度な安定性が要求されている。そ
こで、その絶対波長を固定し波長を安定化させる方法と
して、例えば放電管からの出射レーザビーム強度を観測
する方法がある（特表平１０−５０６１８５号公報）。

【０００３】この方法では、シースルータイプの陰極を
有するホローカソードランプが用いられる。このホロー
カソードランプは、レーザビームの光路から約１０度の
角度で傾斜した透明な入口ウィンドウと、透明な出口ウ
ィンドウを有する真空室を有し、その中に陽極と陰極が
取り付けられ、ネオン等の気化材料が封入されている。
従って、レーザビームの一部が入口ウィンドウから入射
され、陽極、陰極を貫通して出口ウィンドウから出射さ
れ、光検出器で検出される。このとき、単色化されたレ
ーザビームと気化材料のプラズマとが共鳴する場合にレ
ーザビームは強く吸収され、光検出器においてレーザビ
ーム強度の変化が検出される。この変化に基づきレーザ
光源から出射される波長をシフトさせることによって所
望の波長の単色レーザビームが得られ、光検出器と放電
管とを含むフィードバックループが構成されることでレ
ーザ波長の安定化が可能になる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来の公報に記載のホローカソードランプでは、光検
出器で検出されるレーザビーム強度のノイズが大きくな
る場合があり、その結果、半導体集積回路等のリソグラ
フィープロセスなどで使用されるレーザビームの波長を
十分に安定化できず、半導体集積回路などの品質に悪影
響を与える場合があった。

【０００５】そこで、本発明は、レーザビーム強度のノ
イズを十分に低減することができる放電管を提供するこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、従来の公報
に記載のホローカソードランプについて検討した。その
結果、出射レーザビーム強度のノイズが大きくなる原因
が、出口ウィンドウにおける多重反射光が入射レーザビ
ーム又は出射レーザビームと干渉することにあることを
見出した。そこで、本発明者らは、鋭意検討した結果、
少なくともウェッジ形状の出口ウィンドウを特定の配置
にすることで上記の干渉が防止できることを見出した。

【０００７】すなわち、本発明の放電管は、レーザビー
ムを貫通させる貫通孔が形成されたホローカソードを有
する放電管において、ホローカソードに対向配置され、
レーザビームを貫通させる貫通孔が形成されたアノード
と、アノード及びホローカソードを収容すると共に、ア
ノード及びホローカソードを介在させレーザビームを透
過させる一対の面板を有する密封容器と、密封容器内に
封入される封入ガスとを備え、面板のうち少なくともレ
ーザビームを出射させる面板がウェッジ形状であり且つ
レーザビームの光路に直交する面に対してθの角度（ｒ
ａｄ）で傾斜する外面を有し、角θが、下記（１）式： θ≧(１／２)ｔａｎ^-1（Ｄ／Ｌ） （１） [式中、Ｌは面板間の距離（ｍｍ）を表し、Ｄは電極の
内径（ｍｍ）を表す]を満たすことを特徴とする。ここ
で、上式中、面板間の距離とは、一対の面板の外面間に
おけるレーザビームの光路の長さをいう。

【０００８】角θが上記条件を満たさない場合、レーザ
ビームが密封容器の一方の面板に入射され、アノード、
ホローカソードを貫通してもう一方の面板から出射され
るときに、レーザビームを出射させる面板内での多重反
射光が入射レーザビームの側に戻り入射レーザビームと
干渉する。

【０００９】上記の角θは、更に下記（２）式： θ≧(１／（２ｎ）)ｔａｎ^-1（ｄ／ｌ） （２） [式中、ｎは面板の屈折率を表し、ｌはレーザビームの
出射方向に沿った面板から所定位置までの距離（ｍｍ）
を表し、ｄは面板からｌ（ｍｍ）の距離までの位置にお
けるレーザビームのビーム径（ｍｍ）を表す]を満たす
ことが好ましい。

【００１０】この場合、レーザビームの出射方向に沿っ
た面板からｌ（ｍｍ）の距離までの位置で、その面板で
の多重反射による出射レーザビームと、直接出射レーザ
ビームとが干渉し、その結果、レーザビームの出射方向
に沿った面板からｌ（ｍｍ）の距離までの位置でレーザ
ビーム強度のノイズが干渉により大きくなる傾向があ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の放電
管の実施形態について説明する。なお、全図中、同一又
は同等の構成要素には同一符号を付す。

【００１２】図１は、本発明の放電管の好適な実施形態
を示す一部断面正面図である。

【００１３】図１に示すように、放電管１は、硼珪酸ガ
ラス製のＴ字管１５を有しており、このＴ字管１５は円
筒部３を有している。円筒部３の両端部にはそれぞれ、
合成石英などの透光性材料で構成される紫外線透過窓
５，６が、合成石英と硼珪酸ガラスとの熱膨張係数を緩
和する段つなぎ部を介して融着され、紫外線透過窓５，
６はそれぞれ、ウェッジ形状の入射面板１０及び出射面
板１１を有している。ここで、入射面板１０の外面１０
ａには、入射レーザビームの反射による減光を防止する
ため反射防止膜１２がコーティングされ、出射面板１１
の外面１１ａには、出射面板１１内での多重反射を十分
防止するため反射防止膜１３がコーティングされること
が好ましい。反射防止膜１２，１３を構成する材料とし
ては、例えばＭｇＦ₂，ＳｉＯ₂などが挙げられ、反射防
止膜１２，１３は、これらの材料を入射面板１０の外面
１０ａおよび出射面板１１の外面１１ａのそれぞれに
０．１〜１．０μｍの厚さに蒸着することで形成され
る。

【００１４】また、Ｔ字管１５は、円筒部３の側面から
延びる垂下部４を有しており、その垂下部４の端部には
ステム部１４が設けられている。ステム部１４からは円
筒状排気管７が突出している。この排気管７は、真空排
気系（図示せず）に取り付けられ、真空排気、ベーキン
グを行い封入ガスを導入した後に融着されたものであ
り、このようにしてＴ字型の密封容器２が構成されてい
る。封入ガスとしては、放電管１に入射するレーザ波長
付近に吸収波長を有するガスであれば特に限定されず、
例えばネオンが用いられる。

【００１５】円筒部３の内部には、その中心軸（光路）
Ｅ上であって紫外線透過窓５，６間にアノード８及びこ
れに対向配置されるホローカソード９が設けられてい
る。アノード８及びホローカソード９はそれぞれ、密封
容器２の外部から入射されるレーザ光を貫通させるべく
円筒状となっている。すなわち、アノード８及びホロー
カソード９にはそれぞれ、円柱状の貫通孔８ａ，９ａが
形成されている。アノード８及びホローカソード９はそ
れぞれ円筒部３と同心状に配置されている。

【００１６】従って、レーザビームを紫外線透過窓５の
入射面板１０に入射すると、レーザビームは、アノード
８の貫通孔８ａ、ホローカソード９の貫通孔９ａを貫通
して紫外線透過窓６の出射面板１１を通って出射され
る。ここで、本発明者らは、ウェッジ形状の入射面板１
０及び出射面板１１の配置によっては、出射レーザビー
ム強度のノイズが大きくなる場合があることを見出し、
その原因が、出射面板１１における多重反射光が入射レ
ーザビームや出射レーザビームと干渉することにあり、
その原因は、ウェッジ形状の入射面板１０及び出射面板
１１を特定の配置にすることで除去できることを見出し
た。

【００１７】そこで、放電管１においては、入射面板１
０及び出射面板１１がそれぞれ内面１０ｂ，１１ｂ及び
外面１０ａ，１１ａを有し、外面１０ａ，１１ａは、図
２に示すように、中心軸Ｅに直交する仮想的な面１７に
対して以下の条件を満たす角θ（ｒａｄ）で傾斜してい
る。入射面板１０、出射面板１１は同様の配置となって
いるので、以下、出射面板１１について説明する。

【００１８】まず、図２に示すように、入射レーザビー
ムＡが出射面板１１の外面１１ａで反射されると、この
反射光は、出射面板１１内で多重反射を起こす。ここ
で、出射面板１１の外面１１ａで１回反射される光を１
次反射光、ｍ（ｍは２以上の整数）回反射される光をｍ
次反射光と称すると、出射面板１１はウェッジ形状であ
るため、ｍ次反射光は、１次反射光に比べ入射レーザビ
ームＡとのなす角が大きくなり、ｍ次反射光が入射レー
ザビームＡと干渉する可能性は１次反射光に比べて低く
なる。そこで、角θは、１次反射光が入射レーザビーム
Ａと干渉しないことが必要である。

【００１９】そのためには、入射レーザビームＡに対し
て角２θの方向に反射される１次反射光が、ホローカソ
ード９及びアノード８を通して入射面板１０側に戻らな
いことが必要である。そこで、図３に示すように、入射
面板１０の外面１０ａと出射面板１１の外面１１ａとの
間における中心軸Ｅの長さをＬ（ｍｍ）、ホローカソー
ドの内径をＤ（ｍｍ）としたときに、角θが、下記式： ｔａｎ２θ≧（Ｄ／Ｌ） を満たすこと、すなわち、下記（１）式： θ≧(１／２)ｔａｎ^-1（Ｄ／Ｌ） （１） を満たすことが必要である。

【００２０】ここで、中心軸Ｅの長さＬは通常、８０ｍ
ｍ〜１３０ｍｍであり、ホローカソード９の内径Ｄは通
常、２ｍｍ〜５ｍｍである。

【００２１】また、図２に示すように、外面１１ａから
直接外部へ出射される出射レーザビームＢは、角θが十
分に小さい場合、角ｎθの屈折角で出射される。このと
き、入射レーザビームＡと出射レーザビームＢとのなす
角は（ｎ−１）θである。一方、１次反射光が内面１１
ｂで反射されて再び外面１１ａから出射される場合、角
３ｎθの屈折角で出射される。このとき、入射レーザビ
ームＡと出射レーザビームＢとのなす角は（３ｎ−１）
θである。従って、出射レーザビームＢと出射レーザビ
ームＣとの角度差は２ｎθとなる。そこで、出射レーザ
ビームＢと出射レーザビームＣとの干渉を一層十分に防
止するためには、出射面板１１の屈折率をｎ、出射面板
１１からの所定の距離をｌ（ｍｍ）、出射レーザビーム
Ｂの出射方向に沿った出射面板１１の外面１１ａからｌ
（ｍｍ）の距離の位置における出射レーザビームＢのビ
ーム径をｄ（ｍｍ）とすると、角θは、下記式： ｔａｎ（２ｎθ）≧（ｄ／ｌ） を満たすこと、すなわち、下記（２）式： θ≧(１／（２ｎ）)ｔａｎ^-1（ｄ／ｌ） （２） を満たすことが好ましい。

【００２２】ここで、出射面板１１の屈折率ｎは、出射
面板１１を構成する材料によって決まるものであるが、
合成石英の場合、２４８ｎｍ以下の波長に対して１．５
〜１．６である。出射面板１１からの距離ｌ（ｍｍ）ま
での位置は、図４に示すように、光検出器１６を配置す
る位置を表すものであり、距離ｌは通常、１００ｍｍ〜
２００ｍｍであり、この位置における出射レーザビーム
Ｂのビーム径は、用いるレーザビームの種類、これを出
射するレーザ光源などにも依存するが、例えばＡｒＦレ
ーザ光源から出射されるレーザビームの場合は、通常２
〜５ｍｍである。

【００２３】角θは、少なくとも上記（１）式を満足す
る限り特に限定されないが、通常は０．３５ｒａｄ〜
０．７０ｒａｄ（１０°〜２０°）である。なお、角θ
の上限は、０．７８５ｒａｄ（４５°）である。

【００２４】角θが上記（１）式を満足しない場合、レ
ーザビームが出射面板１１に入射されると、出射面板１
１での多重反射光が入射レーザビームＡ側に戻り入射レ
ーザビームＡと干渉する。また、角θが上記（２）式を
満足しない場合、出射面板１１での多重反射による出射
レーザビームＣと直接出射レーザビームＢとが干渉する
傾向がある。一方、角θが上記（１）式を満足する場
合、レーザビームの干渉が防止され、レーザビーム強度
において干渉によるノイズが除去されるので、レーザビ
ーム強度が十分に安定し、ノイズが十分に低減される。
更に角θが上記（２）式をも満足する場合には、ノイズ
は一層十分に低減されることになる。

【００２５】従って、レーザビームを出射するレーザ光
源（例えばＡｒＦエキシマレーザ光源）、及びレーザビ
ームの一部を検出する光検出器とを有するレーザ波長安
定化装置又は露光装置に放電管１を適用すると、レーザ
光源から出射されるレーザビームの波長を十分に安定化
することが可能となる。ここで、光検出器は、放電管１
の出射面板１１の外面１１ａからｌ（ｍｍ）の距離の位
置で、放電管１から出射される多重反射による出射レー
ザビームを受容しないように配置される。このようにす
ることで、多重反射による出射レーザビームと直接出射
レーザビームが同時に受容されることがなくなり、レー
ザビーム強度のノイズが低減される。光検出器として
は、出射レーザビームのビーム径にほぼ等しい幅の長尺
のセンサアレイ部を有するリニアイメージセンサが好ま
しい。この場合、リニアイメージセンサは、センサアレ
イ部の長手方向が出射面板１１の内面１１ｂに直交する
面と平行になるように配置される。

【００２６】なお、本発明は、前述した実施形態に限定
されるものではない。例えば、上記実施形態では、入射
面板１０と、出射面板１１のいずれも少なくとも上記
（１）式を満足する形状及び配置となっているが、出射
面板１１のみが少なくとも上記（１）式を満足するよう
にしてもよい。

【００２７】また、入射面板１０、出射面板１１のいず
れの内面も中心軸Ｅに垂直である必要はなく、ウェッジ
形状となればよい。

【００２８】更に、反射防止膜については、出射面板１
１側にのみ反射防止膜１３が設けられるものであっても
よい。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように本発明の放電管によれ
ば、レーザビームが出射される面板での多重反射光が入
射レーザビームの側に戻って入射レーザビームと干渉す
ることが防止され、レーザビーム強度のノイズのうち干
渉によるノイズが低減され、ノイズが全体として十分に
低減される。従って、レーザ波長安定化装置などに放電
管を適用すると、レーザ波長を十分に安定化することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のホローカソードを有する放電管の一実
施形態を示す一部断面正面図である。

【図２】出射面板を示す断面図である。

【図３】放電管を概略的に示す切断面端面図である。

【図４】図１の放電管と光検出器との位置関係を示す概
略図である。

【符号の説明】

１…放電管、８…アノード、８ａ，９ａ…貫通孔、９…
ホローカソード、１０…入射面板（面板）、１１…出射
面板（面板）、１０ａ，１１ａ…外面、１０ｂ，１１ｂ
…内面、１２，１３…反射防止膜、１７…レーザビーム
の光路、θ…内面と外面とのなす角、Ｄ…電極の内径、
ｎ…面板の屈折率、ｌ…レーザビームの出射方向に沿っ
た面板から所定位置までの距離、ｄ…面板からｌの位置
におけるレーザビームのビーム径。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザビームを貫通させる貫通孔が形成
   されたホローカソードを有する放電管において、 前記ホローカソードに対向配置され、前記レーザビーム
   を貫通させる貫通孔が形成されたアノードと、 前記アノード、及び前記ホローカソードを収容すると共
   に、前記アノード及び前記ホローカソードを介在させ前
   記レーザビームを透過させる一対の面板を有する密封容
   器と、 前記密封容器内に封入される封入ガスと、を備え、 前記面板のうち少なくとも前記レーザビームを出射させ
   る面板がウェッジ形状であり且つ前記レーザビームの光
   路に直交する面に対してθの角度（ｒａｄ）で傾斜する
   外面を有し、前記角θが、下記（１）式を満たすことを
   特徴とする放電管。 θ≧(１／２)ｔａｎ^-1（Ｄ／Ｌ） （１） [式中、Ｌは前記面板間の距離（ｍｍ）を表し、Ｄは前
   記電極の内径（ｍｍ）を表す]
2. 【請求項２】 前記角θが、下記（２）式を満たすこと
   を特徴とする請求項１に記載の放電管。 θ≧(１／（２ｎ）)ｔａｎ^-1（ｄ／ｌ） （２） [式中、ｎは前記面板の屈折率を表し、ｌは前記レーザ
   ビームの出射方向に沿った前記面板から所定位置までの
   距離（ｍｍ）を表し、ｄは前記面板からｌ（ｍｍ）の距
   離の位置における前記レーザビームのビーム径（ｍｍ）
   を表す]
3. 【請求項３】 前記一対の面板のうち、少なくとも前記
   レーザビームを出射させる面板に反射防止膜がコーティ
   ングされていることを特徴とする請求項１又は２に記載
   の放電管。